一、什么是字節(jié)對(duì)齊
一個(gè)基本類型的變量在內(nèi)存中占用n個(gè)字節(jié),則該變量的起始地址必須能夠被n整除,即: 存放起始地址 % n = 0,那么,就成該變量是字節(jié)對(duì)齊的;對(duì)于結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合體而言,這個(gè)n取其所有基本類型的成員中占用空間字節(jié)數(shù)最大的那個(gè);
內(nèi)存空間是以字節(jié)為基本單位進(jìn)行劃分的,從理論上講,似乎對(duì)任何類型的變量的訪問都可以從任何地址處開始,但實(shí)際情況是在訪問特定類型變量的時(shí)候經(jīng)常是從特定的內(nèi)存地址處開始訪問,這就需要各種類型的數(shù)據(jù)只能按照一定的規(guī)則在空間上排列,而不是順序的一個(gè)接一個(gè)地排放;究其原因,是為了使不同架構(gòu)的CPU可以提高訪問內(nèi)存的速度,就規(guī)定了對(duì)于特定類型的數(shù)據(jù)只能從特定的內(nèi)存位置處開始訪問;所以,各種類型的數(shù)據(jù)只能按照相應(yīng)的規(guī)則在內(nèi)存空間上排放,而不能順序地、連續(xù)地、一個(gè)一個(gè)地排放;這就是內(nèi)存對(duì)齊;
二、為什么需要字節(jié)對(duì)齊
由于各種硬件平臺(tái)對(duì)存儲(chǔ)空間的處理上有很大的不同;一些平臺(tái)對(duì)某些特定類型的數(shù)據(jù)只能從某個(gè)特定內(nèi)存地址處開始訪問;比如:有些架構(gòu)的CPU在訪問一個(gè)沒有進(jìn)行對(duì)齊的變量的時(shí)候會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤,那么在這種架構(gòu)下編程時(shí)就必須保證字節(jié)對(duì)齊;其它平臺(tái)可能沒有這種情況,但最常見的是,如果不按照適合其平臺(tái)要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊,會(huì)在存取效率上帶來損失;比如,有些平臺(tái)每次讀取數(shù)據(jù)都是從偶地址處開始,如果一個(gè)int(假設(shè)為32位系統(tǒng))型數(shù)據(jù)從偶地址處開始存放,那么只需要一個(gè)讀指令周期就可以完全讀出這個(gè)32bit的int型數(shù)據(jù),相反,如果這個(gè)32bit的int型數(shù)據(jù)是從奇地址處開始存放,那么就需要兩個(gè)讀指令周期才能完全讀出這個(gè)32bit的int數(shù)據(jù),并且還需要對(duì)這兩次讀出的結(jié)果的高低字節(jié)進(jìn)行重新拼湊才能得到正確的32bit數(shù)據(jù);這個(gè)時(shí)候,CPU的讀取效率明顯下降;
三、字節(jié)對(duì)齊規(guī)則
預(yù)處理指令#pragma pack(align_value)用于指定對(duì)齊值,而預(yù)處理指令#pragma pack()用于取消上次設(shè)定的對(duì)齊值,恢復(fù)默認(rèn)對(duì)齊值;
字節(jié)對(duì)齊是針對(duì)基本類型變量的;基本類型變量有:char、unsigned char、short、unsigned short、int、unsigned int、long、unsigned long、long long、unsigned long long、float、double,等等;所以,對(duì)于結(jié)構(gòu)體的對(duì)齊也只能按照其成員變量中的基本類型來對(duì)齊了;
有四個(gè)概念需要理解:
A、數(shù)據(jù)類型自身的對(duì)齊值:
是指對(duì)該數(shù)據(jù)類型使用sizeof()操作符進(jìn)行操作所得到的大小(單位,字節(jié));比如,對(duì)于[unsigned] char類型的數(shù)據(jù),其自身對(duì)齊值為1字節(jié);對(duì)于[unsigned] short類型的數(shù)據(jù),其自身對(duì)齊值是2字節(jié);對(duì)于[unsigned] int、[unsigned] long、[unsigned] long long、float、double等數(shù)據(jù)類型,其自身對(duì)齊值是4字節(jié);
B、結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合體、類的自身對(duì)齊值:
是指其所有基本類型的成員中,自身對(duì)齊值最大的那個(gè)值;如果這些復(fù)合類型中有嵌套類型或復(fù)合類型的變量,則需要把這些嵌套的類型或復(fù)合類型的變量拆解成基本類型的成員之后再對(duì)齊;
C、指定對(duì)齊值:
是指使用預(yù)處理指令#pragma pack(align_value)指定的對(duì)齊值align_value;
D、數(shù)據(jù)成員、結(jié)構(gòu)體和類的有效對(duì)齊值:
是指其自身對(duì)齊值和指定對(duì)齊值中較小的那個(gè)值;
其中,有效對(duì)齊值是最終用來決定數(shù)據(jù)存放地址方式的值,最重要;設(shè)定有效對(duì)齊值為N,就表示"對(duì)齊在N字節(jié)上",也就是說,該數(shù)據(jù)的"存放起始地址%N=0";
因此,每個(gè)類型的數(shù)據(jù)的有效對(duì)齊值就是其自身對(duì)齊值(通常是這個(gè)類型的大小)和指定對(duì)齊值(不指定則取默認(rèn)值)中較小的那個(gè)值,并且結(jié)構(gòu)體自身對(duì)齊值是其所有成員中自身對(duì)齊值最大的那個(gè)值;
字節(jié)對(duì)齊的細(xì)節(jié)與編譯器的實(shí)現(xiàn)有關(guān),但一般來說,結(jié)構(gòu)體需要滿足以下幾個(gè)準(zhǔn)則:
1).從結(jié)構(gòu)體外部來看,結(jié)構(gòu)體變量的首地址能夠被其最寬基本成員的大小整除;從結(jié)構(gòu)體內(nèi)部來看,它的第一個(gè)數(shù)據(jù)成員的地址相對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)體首地址的偏移量為0,也就是說,結(jié)構(gòu)體的第一個(gè)數(shù)據(jù)成員存放在偏移量為0的地方;
2).結(jié)構(gòu)體中的每個(gè)數(shù)據(jù)成員的有效對(duì)齊值都取其自身對(duì)齊值和指定對(duì)齊值中的較小的那個(gè)對(duì)齊值;或者說是,結(jié)構(gòu)體中的每個(gè)數(shù)據(jù)成員相對(duì)于結(jié)構(gòu)體首地址的偏移量都是該數(shù)據(jù)成員大小和指定對(duì)齊值中較小的那個(gè)值(或有效對(duì)齊值)的整數(shù)倍,如有需要,編譯器會(huì)在數(shù)據(jù)成員之間加上填充字節(jié);
3).如果結(jié)構(gòu)體中還有嵌套的結(jié)構(gòu)體或結(jié)構(gòu)體變量,那么就要把這些嵌套進(jìn)去的結(jié)構(gòu)體或結(jié)構(gòu)體變量拆成基本類型成員,并取其最長的基本類型成員的對(duì)齊方式;
4).結(jié)構(gòu)體整體的有效對(duì)齊值必須為其最寬基本類型成員大小的整數(shù)倍;或者說是,結(jié)構(gòu)體整體的大小為結(jié)構(gòu)體中最寬基本類型成員大小的整數(shù)倍,如有需要,編譯器會(huì)在最末一個(gè)成員之后加上填充字節(jié);換句話說是,結(jié)構(gòu)體整體的有效對(duì)齊值按照結(jié)構(gòu)體中最寬基本類型成員的大小和指定對(duì)齊值中較小的那個(gè)值進(jìn)行;
注意:如果指定對(duì)齊值大于自身對(duì)齊值,則指定對(duì)齊值無效;
例1:不帶嵌套的
#pragma pack(4) //指定按照4字節(jié)對(duì)齊
struct TestA
{
int a; //第一個(gè)成員,自身長4,#pragma pack(4),取較小值,按照4字節(jié)對(duì)齊,放在[0,3]偏移的位置;
char b; //第二個(gè)成員,自身長1,#pragma pack(4),取較小值,按照1字節(jié)對(duì)齊,放在[4]偏移的位置;
short c; //第三個(gè)成員,自身長1,#pragma pack(4),取較小值,按照2字節(jié)對(duì)齊,偏移量必須是2的整數(shù)倍,故,存放在[6,7]偏移的位置;
char d; //第四個(gè)成員,自身長1,#pragma pack(4),取較小值,按照1字節(jié)對(duì)齊,放在[8]偏移的位置;
};
#pragma pack() //取消4字節(jié)對(duì)齊,恢復(fù)默認(rèn)對(duì)齊值;
因此,整個(gè)結(jié)構(gòu)體占用的有效字節(jié)為9個(gè)字節(jié);由于結(jié)構(gòu)體整體的對(duì)齊值和大小是其最寬基本類型成員大小的整數(shù)倍,即:按照最寬基本類型成員大小和指定對(duì)齊值中較小的值對(duì)齊的;因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)體最寬基本類型成員的大小是4字節(jié),其有效對(duì)齊值也是4字節(jié),而9字節(jié)按照4字節(jié)圓整的結(jié)果是12字節(jié),所以,sizeof(TestA)=12;
#pragma pack(2) //指定按照2字節(jié)對(duì)齊
struct TestA
{
int a; //第一個(gè)成員,自身長4,#pragma pack(4),取較小值,按照2字節(jié)對(duì)齊,放在[0,3]偏移的位置;
char b; //第二個(gè)成員,自身長1,#pragma pack(2),取較小值,按照1字節(jié)對(duì)齊,放在[4]偏移的位置;
short c; //第三個(gè)成員,自身長1,#pragma pack(2),取較小值,按照2字節(jié)對(duì)齊,偏移量必須是2的整數(shù)倍,故,存放在[6,7]偏移的位置;
char d; //第四個(gè)成員,自身長1,#pragma pack(2),取較小值,按照1字節(jié)對(duì)齊,放在[8]偏移的位置;
};
#pragma pack() //取消4字節(jié)對(duì)齊,恢復(fù)默認(rèn)對(duì)齊值;
可以看出,只是改變了一下結(jié)構(gòu)體之間的對(duì)齊方式,從4字節(jié)對(duì)齊改為2字節(jié)對(duì)齊;結(jié)果就不一樣了;
整個(gè)結(jié)構(gòu)體所占用的有效字節(jié)數(shù)仍然是9字節(jié),但是結(jié)構(gòu)體整體的大小就變了,按照最寬基本類型成員大小和指定對(duì)齊值中較小的值對(duì)齊;結(jié)構(gòu)體中最寬基本類型成員的大小事4字節(jié),而指定對(duì)齊值是2字節(jié)對(duì)齊,取最小值2,所以,最后,整個(gè)結(jié)構(gòu)體的大小就是9字節(jié)按照2字節(jié)圓整(取2的整數(shù)倍),于是,sizeof(TestA)=10;
例2:帶嵌套的
#pragma pack(2)
struct A
{
char c; //第一個(gè)成員,自身長1,#pragma pack(2),取較小值,按照1字節(jié)對(duì)齊,放在[0]偏移的位置;
int i; //第二個(gè)成員,自身長4,#pragma pack(2),取較小值,按照2字節(jié)對(duì)齊,放在[2,5]偏移的位置;
};
struct B
{
char c1; //第一個(gè)成員,自身長1,#pragma pack(2),取較小值,按照1字節(jié)對(duì)齊,放在[0]偏移的位置;
A s; //第二個(gè)成員,自身長6,#pragma pack(2),取較小值,按照2字節(jié)對(duì)齊,放在[2,7]偏移的位置;
char c2; //第三個(gè)成員,自身長1,#pragma pack(2),取較小值,按照1字節(jié)對(duì)齊,存放在[8]偏移的位置;
};
#pragma pack()
結(jié)構(gòu)體A占用的有效字節(jié)數(shù)是6字節(jié);結(jié)構(gòu)體A整體的大小要取其最寬基本類型成員大小和指定對(duì)齊值中較小的那個(gè)值的整數(shù)倍,最寬基本類型成員大小為4字節(jié),指定對(duì)齊值為2字節(jié),所以,6取較小的值2字節(jié)的整數(shù)倍為6字節(jié);最終,結(jié)構(gòu)體A的大小為:sizeof(A)=6;
結(jié)構(gòu)體B占用的有效字節(jié)數(shù)是9字節(jié);結(jié)構(gòu)體B整體的大小要取其最寬基本類型成員大小和指定對(duì)齊值中較小的那個(gè)值的整數(shù)倍,最寬基本類型成員大小為6字節(jié),指定對(duì)齊值為2字節(jié),所以,9取較小的值2字節(jié)的整數(shù)倍為10字節(jié);最終,結(jié)構(gòu)體B的大小為:sizeof(B)=10;
四、總結(jié)
設(shè)置對(duì)齊方式有兩種方法;
第一種方法:
#pragma pack(n),指定按照n字節(jié)對(duì)齊;
#pragma pack(),取消自定義的對(duì)齊值;
第二種方法:
__attribute__((aligned(n))):讓所作用的結(jié)構(gòu)體成員對(duì)齊在n字節(jié)自然邊界上;如果結(jié)構(gòu)體中有成員的長度大于n,則按照最大成員的長度來對(duì)齊;即:按照機(jī)器能允許該類的的最大長度來對(duì)齊;這個(gè)恰好與#pragma pack(n)指令的相反;
__attribute__((packed)):取消結(jié)構(gòu)體在編譯過程中的優(yōu)化對(duì)齊,按照實(shí)際占用字節(jié)數(shù)進(jìn)行對(duì)齊,等價(jià)于指令#pragma pack(1),即,按照1字節(jié)對(duì)齊;
其中,n=1,2,4,8,16,......等;
第一種方法比較常見;
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